表面損傷葉輪激光增材再制造研究*

許 磊, 杜彥斌, 張 磊

(1.重慶工商大學(xué) 制造裝備機構(gòu)設(shè)計與控制重慶市重點實驗室，重慶 400067； 2.重慶水泵廠有限責任公司，重慶 400003)

0 引 言

葉輪是泵設(shè)備、發(fā)電機組等的核心零部件，選材時一般采用耐磨、耐蝕和抗裂性優(yōu)秀的不銹鋼[1]，如06Cr13系列材料等[2]。由于服役工況惡劣，常出現(xiàn)氣蝕、腐蝕、沖蝕和掉塊等損傷形式，嚴重影響機組的使用壽命和安全。激光再制造能夠恢復(fù)損傷葉輪原有功能，賦予葉輪新的壽命，延長設(shè)備安全服役年限，降低企業(yè)停機損失和新件進購成本，節(jié)能、節(jié)材、環(huán)境友好。

由于激光熔覆熱成形機理復(fù)雜難控[3-5]，工藝控制不當極易引起成形質(zhì)量問題(如微裂紋、結(jié)合強度低、熔深小等)，不同的型號設(shè)備、工藝參數(shù)和粉末/基體材料成形性能也差異性大，因此有必要對激光熔覆成形機理和工藝進行研究。如賈文鵬等[6]通過模擬TC4 鈦合金空心葉片激光熔覆成形過程溫度場并分析熱成形機理，結(jié)果表明隨著熔覆高度的增加，成形葉片表面換熱作用加強，散熱方向從熔池到基座。FARAHMAND P等[7]通過數(shù)值模擬與實驗分析了激光熔覆單道與多道的熱成形溫度場與應(yīng)力場，研究表明激光熔覆區(qū)域由于急冷急熱過程產(chǎn)生了的較大的熱應(yīng)力。劉子武等[8]分析了葉片材料再制造熔覆層沖蝕損傷行，并利用激光熔覆和鎢極氬弧(TIG)熔覆技術(shù)制備了相同的熔覆層，獲取了熔覆層微觀組織、抗沖蝕能力等。GUO S R等[9]通過制備不同寬度激光熔覆層，分析研究汽輪機轉(zhuǎn)子綜合跳動的影響規(guī)律，優(yōu)化了汽輪機轉(zhuǎn)子的激光熔覆工藝參數(shù)。許明三等[10]研究了激光熔覆粉末與工藝參數(shù)對熔覆層結(jié)合強度的影響規(guī)律，對相關(guān)參數(shù)進行了優(yōu)化。王浩[11]和封慧等[12]分別對航空發(fā)動機損傷葉片和曲軸軸頸損傷表面進行激光熔覆修復(fù)，均獲得了滿意的效果。上述諸多研究成果為葉輪激光增材實踐提供了重要的理論支撐，但目前葉輪研究多集中于熱處理[13]、凝固相變[14]等方向，關(guān)于葉輪激光熔覆文獻較少。

鑒于此，以表面損傷葉輪為研究對象，首先分析葉輪的再制造方法與流程；然后通過在基體材料激光熔覆Fe基粉末的模擬試驗，分析熔覆層的微觀結(jié)合狀態(tài)、顯微硬度與屈服強度；最后對再制造葉輪進行著色探傷檢測，工業(yè)CT檢測、動平衡測試及安裝調(diào)試，驗證損傷葉輪激光熔覆再制造的可靠性與安全性。

1 損傷葉輪增材再制造方法

1.1 激光熔覆技術(shù)原理

激光熔覆技術(shù)也稱為激光增材技術(shù)[15]，是利用激光頭輸出的高能激光束，實現(xiàn)粉末與基材表面薄層的熔凝，形成具有冶金結(jié)合的熔覆層，熔覆過程中吹送保護氣體防止熔覆層的氧化，具有熱影響區(qū)小和變形量低等優(yōu)點。根據(jù)合金粉末的不同性質(zhì)，可形成具有耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性和抗氧化等不同性能的熔覆層?；驹砣鐖D1所示。

圖1 送粉式激光熔覆示意圖Fig. 1 Schematic diagram of powder feeding laser cladding

1.2 葉輪激光再制造方法與流程

葉輪表面失效形式主要包括:粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和表面疲勞等類型[16]，圖2為重慶水泵廠有限責任公司某型號表面損傷葉輪，其損傷形式表現(xiàn)為表面磨損。從圖中可以看出被磨表面產(chǎn)生了較深的溝槽，主要原因為葉輪在服役中，外來顆?；蛘吣p脫落的磨屑與基體形成了相對運動，產(chǎn)生的高應(yīng)力碰撞造成了基材表面材料的損失。

(a)表面損傷葉輪 (b)損傷局部區(qū)域

損傷葉輪再制造是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，從關(guān)鍵技術(shù)方面來說，包括再制造性評估技術(shù)、激光熔覆再制造工藝技術(shù)、服役安全驗證技術(shù)[17]等。按工藝流程可分為設(shè)備拆解、清洗、檢測、再制造加工、零件測試、裝配、噴涂包裝等步驟，如圖3所示。首先進行泵設(shè)備檢修與拆解，從外觀上檢測葉輪是否能夠再制造，不符合要求的葉輪進行報廢處理；其次進入葉輪清洗階段，進一步分析其再制造成本、剩余壽命、環(huán)境友好性等因素，確定葉輪是否值得、能夠再制造；然后對篩選符合要求的損傷葉輪進行激光熔覆工藝修復(fù)，進行表面熔覆層的精加工和再制造葉輪的質(zhì)量檢測(動平衡測試、工業(yè)CT等)，最后將再制造葉輪裝配到泵設(shè)備上，測試其安全性與穩(wěn)定性，符合要求的包裝出廠。

圖3 葉輪激光熔覆工藝流程Fig. 3 Laser cladding process of impeller

2 單道激光熔覆試驗分析

2.1 激光設(shè)備與工藝參數(shù)

實驗采用湖南株洲輝瑞再制造公司半導(dǎo)體光纖激光熔覆設(shè)備，如圖4所示。選用優(yōu)化后的激光成形參數(shù):激光功率700 W，光斑直徑 1.0 mm，送粉量 3 g/min～5 g/min，掃描速度4 mm/s～5 mm/s。增材再制造過程中采用氮氣(N2)保護，同軸送粉和水冷降溫。粉末粒度為145目～320目，試驗前，F(xiàn)e基合金粉末150 ℃真空箱干燥2 h，損傷區(qū)域打磨除銹及氧化膜，丙酮清洗并烘干。粉末與基材的主要成分如表1和表2所示。

圖4 激光熔覆再制造實驗設(shè)備Fig. 4 Equipment for laser cladding remanufacture

表1 Fe基粉末主要成分Table 1 Chemical composition of Fe-based powder (wt.%)

表2 06Cr13主要成分Table 2 Chemical composition of 06Cr13 (wt.%)

2.2 冶金結(jié)合形態(tài)分析

圖5為單道與多道激光成形工藝試驗。從宏觀上看，激光增材層成形表面質(zhì)量較好，未出現(xiàn)局部起球、孔洞等外觀缺陷，熔覆寬度和高度穩(wěn)定性好，如圖5(a)、圖5(b)所示。進一步采用光學(xué)顯微鏡和線切割設(shè)備，通過切割、腐蝕等步驟觀察截面微觀形貌。試樣用不同粒度砂紙打磨并機械拋光，拋光后腐蝕，腐蝕劑為3 HCl+HNO3(約10mL)，腐蝕時間約30 s。圖5(c)為熔覆結(jié)構(gòu)微觀形貌，從上到下依次分為增材層、熱影響區(qū)與基體三部分。其中，增材層組織致密，未出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，中間的白亮帶為熱影響區(qū)，可以看到增材層與基體之間結(jié)合界面平整，未出現(xiàn)裂紋及夾渣現(xiàn)象，說明熔覆層與基體間形成了良好的冶金結(jié)合。利用數(shù)值模擬技術(shù)，可以很清楚地分析出3個區(qū)域。

(a) 激光增材再制造實驗

(d) 單道溫度場云圖 (c) 截面微觀形貌 圖5 激光熔覆成形工藝測試試驗Fig. 5 Laser cladding forming process test

圖6(a)為激光熔覆層微觀形貌，在熔覆層頂部和底部由于散熱速度快和基體的激冷作用導(dǎo)致結(jié)晶速度最大，組織主要表現(xiàn)為長條狀的柱狀晶和樹枝晶，熔覆層中部由于各方向溫度梯度小，主要為細小的等軸晶組織；圖6(b)為基體組織，主要由鐵素體構(gòu)成；圖6(c)和圖6(d)為熔覆層區(qū)域出現(xiàn)了未熔化粉末顆粒，研究表明兩方面原因造成顆粒未熔化:送粉氣壓過大，造成出粉速度過快，極少數(shù)顆粒受熱時間短，未完全熔化；粉末干燥后，實驗時空氣濕度較大，造成粉末回潮現(xiàn)象。經(jīng)過工藝參數(shù)改進和粉末干燥后，解決了該缺陷問題。

(a)熔覆層微觀組織

(c)熔覆層含顆粒區(qū)域 (d)局部放大區(qū)域

2.3 顯微硬度與拉伸性能

使用顯微硬度計對熔覆層與基體材料進行顯微硬度測試，增材層硬度平均值為625.7 HV，06Cr13不銹鋼平均硬度為398.3 HV，增材層硬度為基體材料硬度1.57倍?；w與增材層結(jié)合處硬度值有一個下降過程，主要是因為激光熔覆區(qū)域的冷卻方式為熱傳導(dǎo)，熔池底部先凝固，然后慢慢擴散向上，熔池頂部的熱傳導(dǎo)會對底部凝固區(qū)域再次加熱，促進了結(jié)合區(qū)域的組織生長，晶粒變得粗大，降低了硬度值。

為了進一步驗證熔覆層與基材的結(jié)合強度，采用拉伸實驗獲取其屈服強度，并觀察斷裂區(qū)域。拉伸試樣共計5根。采用與單道工藝相同的參數(shù)熔覆坡口處，坡口填滿后利用精加工車床精加工試樣，利用萬能試驗機進行拉伸實驗，計算機自動獲取強度結(jié)果。拉伸實驗結(jié)果顯示斷裂處均為非熔覆區(qū)域，拉伸強度結(jié)果分別為655 MPa、631 MPa、598 MPa、649 MPa、674 MPa，無異常波動值，算術(shù)平均值為641.4 MPa。

3 葉輪激光熔覆試驗及安全驗證

3.1 損傷葉輪表面激光熔覆

拆卸清洗的葉輪經(jīng)再制造性評估分析，結(jié)果表明圖2所示的失效葉輪剩余壽命滿足規(guī)定要求，滿足再制造條件。對于可再制造葉輪的待熔覆區(qū)域做表面除銹等處理，進行葉輪單層再制造，如圖7(a)所示的。參數(shù)設(shè)置為激光功率700 W，光斑直徑 1.0 mm，送粉量3 g/min～5 g/min，掃描速度4 mm/s，搭接率為0.4。圖7(b)為激光熔覆葉輪，從宏觀上看其熔覆層表面平整無缺陷，層高穩(wěn)定。

(a)激光熔覆中葉輪 (b)完成表面熔覆的葉輪

3.2 再制造葉輪質(zhì)量評估

再制造后葉輪需通過產(chǎn)品質(zhì)量檢測，才能進行裝配測試與包裝出廠。修復(fù)后的葉輪重點檢測內(nèi)容為修復(fù)區(qū)域是否存在裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，整體動不平衡量是否滿足產(chǎn)品要求。

(1) 著色探傷。葉輪著色滲透探傷是采用帶有紅色染料(圖8(a))滲透劑的滲透作用，利用液體對固體表面小空隙的滲透作用，使?jié)B透液滲透到葉輪微小裂紋處，待清洗干凈并干燥后把顯像劑涂在工作表面，通過顯像劑與滲透液的置換作用，顯示再制造葉輪的缺陷，根據(jù)國家關(guān)于焊接裂紋的評價標準，來評價其熔覆質(zhì)量[18]。圖8(b)為添加顯像劑之后的熔覆區(qū)域，從宏觀上看無微小裂紋，無氣孔與夾渣，著色探傷表明激光熔覆區(qū)域質(zhì)量較好。

(a)染色后葉輪 (b)噴顯像劑后葉輪

(2) 工業(yè)CT測試。葉輪為高速旋轉(zhuǎn)零部件，其質(zhì)量安全性關(guān)系到設(shè)備甚至整個機組的安全。為了進一步測試其安全性，在著色探傷檢測的基礎(chǔ)上采用工業(yè)CT(Industrial Computerized Tomography)進行檢測?；驹硎歉鶕?jù)輻射在再制造葉輪內(nèi)的減弱和吸收特性，利用放射性核素源發(fā)射出的、具有一定能量和強度的X射線或γ射線，通過分析衰減規(guī)律及分布情況，獲取熔覆區(qū)域的內(nèi)部信息，利用計算機信息處理和圖像重建技術(shù)，以圖像形式顯示出來。

(3) 葉輪動平衡測試與分析。葉輪動不平衡量關(guān)系著機組運行穩(wěn)定性與安全性，其值需嚴格控制。動平衡測試按照GB9239標準進行，動不平衡量由式(1)計算獲得，精度等級為G2.5。

(1)

其中，m為允許不平衡量 (g)；M為轉(zhuǎn)子的自身重量(kg)；G為轉(zhuǎn)子平衡精度等級 (mm/s)；r為轉(zhuǎn)子校正半徑(mm)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 (rpm)。

表3為動不平衡初始值與殘余不平衡檢測值，采用去重方法平衡，在2 980 r/min的轉(zhuǎn)速下，動平衡檢測值均小于新品規(guī)定值750 g.mm，滿足要求。

表3 葉輪動平衡檢測Table 3 Dynamic balance detection of impeller

最后對再制造葉輪進行安裝。開機測試一次成功，性能指標滿足各項要求，驗證了葉輪激光熔覆再制造工藝的可靠性與穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

提出了葉輪激光增材再制造方法與流程，主要包括設(shè)備拆解、清洗、檢測、再制造加工、零件測試、裝配、噴涂包裝等內(nèi)容。粉末與基體產(chǎn)生了良好的冶金結(jié)合，組織致密且無未熔化粉末顆粒，熔覆層硬度達到625.7 HV，約為基體材料硬度的1.57倍，屈服強度為641 MPa。激光熔覆再制造葉輪經(jīng)著色探傷檢測和工業(yè)CT檢測等顯示再制造熔覆區(qū)域無裂紋、氣孔等質(zhì)量問題；采用去重式平衡，動不平衡量小于標準值750 g.mm；葉輪安裝調(diào)試一次成功，各項指標滿足要求。